河北柏乡县地下热水的水化学特征及地热温标应用

上官拴通，齐晓飞，张国斌

(河北省煤田地质局第二地质队，河北 邢台　054000)

地热作为一种宝贵的绿色环保能源，以其稳定、可再生等特点越来越受到关注。随着传统能源所引发的一系列环境问题，增加了后期治理成本。地热能开发利用越来越受到重视。而开展地下热水地球化学及地热温标的基础研究对地热资源的合理开发保护至关重要。如在水热型地热系统开发初期,利用水井或地热井地球化学调查,研究地热系统概念模型并评价深部地热流体的温度和化学特征[1-3]。利用地球化学温标来估算热储温度[4-5]等。

柏乡背斜轴部区具备高地温特征[6]，浅部地热水资源利用价值不高[7]，但深部干热岩资源潜力巨大[8]，开发利用价值较高。鉴于此，在钻探前期，利用热水地球化学特征了解深部的热储温度，热源及地热流体补给来源，可为后期浅层热水资源以及深部干热岩资源的开发利用提供基础参考依据。

1　研究区概况

柏乡县位于河北省邢台市北部，华北平原中心，晋冀鲁三省之中。据已有资料分析，本区背斜轴部区地热活动强烈，地表热流明显[9]，构造区具有较高地温梯度，背斜轴部区地温梯度可以超过60℃/1km[10]。据本区物探勘查资料显示[11]，本区较周围山区地壳较薄，居里面埋深较浅[12]，来自深源的幔源热流为该区地热资源提供了热源。地热资源的分布按其区域地质特征、地热显示特征，大致划分为两大区域：背斜轴部高温地热显示区，背斜两翼中温地热显示区。

研究区内以平原为主，森林覆盖率11%，属于暖温带半干旱大陆性季风型气候。研究区地势西高东低，区内仅有一条由中南部自西向东横贯而过的河流组成，该河流称为午河，属于海河流域子牙河系。研究区范围包括河北省柏乡县、赵县沙河店乡和宁晋县河渠乡(图1)。

2　样品采集和测试

此次工作主要针对背斜轴部高温异常区(图1)，其中轴部区域柏17孔在226.15m处，水温31℃，地温梯度达6.9℃/100m；背斜两翼区赵36在2317m处，试油温度92.51℃，赵61孔在1915m处，试油温度约78℃。本次对研究区内高地温背斜轴部区进行了采样化验，基于前人的研究成果，通过水化学地球化学手段，揭示了地下热储层信息，为下一步勘查、开发利用工作提供地质依据。主要收集和现场采集民用水井12组，共计22件样品。采样点的分布见图1。

本次研究所取水样为从水井直接抽取的地下水，采样操作过程依据《地下水质检验方法》(DZ/T0064.1～.80-93)进行了样品采集工作，避免样品的二次污染。在采样同时，每一个采样点现场测定水温和pH值， 并描述地热流体的外观物理性质。样品采集完后当天送至国土资源部地下水科学与工程重点实验室进行化验测试，水化学分析的测定方法参照《地下水质检验方法》 (DZ/T0064-93)以及天然矿泉水检验方法(GB/T8538-2008)进行检测。

3　讨论

本次野外地球化学调查采集到均为第四系地下水， 且水温普遍小于25℃。为了便于讨论， 水化学分析皆按照热水进行分析。

图1　研究区地质图Figure 1　Study area geological map

3.1　各组分间相互关系

采集到的11组地热水水化学特征如表1所示，研究区地热田地热水pH为7.8～8.3，大部分取样点为弱碱性，按照舒卡列夫分类法，区内涉及到的水化学类型为HCO3-Na，HCO3-Na·Ca型，这可能与区内地下热水的补给来源于大气降水因素相关。

表1　研究区典型地热水地热样品水化学测试结果

表2　研究区地下水主要离子、矿化度相关关系表

注：各离子间的相关系数为置信度为0.01时的相关性。

在自然的水岩系统中，氯常被用于示踪地下热水中其他物质的来源[12-13]。低的HCO3/Cl比值，体现了较长的径流路径和较慢的水循环[15-16]，研究区表3显示，本区西部地下水的HCO3/Cl比值较东部大，除了南阳村之外南部较北部大，总体上与地表水径流相吻合。其中李家营、南郝村、南阳村一带因其体系中高的C1-浓度和相对较低的HCO3，使得HCO3/C1极低，再一次表明该区域地下水流循环缓慢、循环程度较深、为地下水滞留区，交替周期较长，属地下水径流的末端。

综上所述，李家营、南郝村和南阳村一带可能是因为地下水流循环缓慢，为地下水滞留区，交替周期较长，属地下水径流的末端。浅层热水利用应合理规划。

3.2　主要离子与矿化度趋势分析

表3　研究区一览表

钠离子(Na+)在本区是高含量的离子，随着矿化度的增加，离子含量增加；钙离子(Ca2+)虽然在本区是较高含量的离子，但随着矿化度的增加，离子含量变化不明显。钾离子(K+)在本区是低含量的离子，随着矿化度的增加，离子含量增加；(Mg2+)在本区是低含量的离子，与矿化度的变化无明显的关系(见图2a、图2d、图2e、图2f)。

3.3　微量元素特征

由表1看出，本区微量元素含量极低，基本接近浅层地冷水含量，因此只对微量元素做简要分析。

由于地下热水流经围岩流程上的水岩相互作用、溶滤作用等因素，地下热水中较地表冷水常含有较高浓度B、F、Li、Sr等微量元素。同地下水中的主要离子分析方法一样，本处利用C1-的稳定性，对研究区地下水的微量元素进行相关性分析，结果如表4所示。

表4　研究区微量元素、温度与Cl相关关系表

注:各离子间的相关系数为置信度为0.01时的相关性。

图2　研究区主要离子浓度与矿化度关系及井口温度与SiO2含量关系图Figure 2　Relationships between main ionic concentration and mineralization, wellhead temperature and SiO2 content

研究区地下水中Li浓度为0～0.021mg/L，平均值为0.009mg/L，体系中Li+浓度与C1-的关系表明(表4)二者大体上呈正相关关系，表明Li和Cl具有相同的物源；研究区F浓度为0.2～0.7mg/L，平均值0.36mg/L，表4表明F与C1有不同的物质来源，推测氟主要来源于地下热液循环过程中沿途围岩上的溶滤作用。

地下水中的SiO2常被用于计算热储层的温度，关于热储温度的计算，后面将讨论，研究区地下水中的SiO2浓度为26.38～35.23mg/L，平均值30.83mg/L，异常高值出现在背斜轴部附近。体系中SiO2含量与C1-的相关关系同C1-与温度相互关系相似，表明研究区地下水的热源主要来自深部热流，弱的相互关系可能由于第四系地表冷水循环或混合稀释作用等。

B是一种易溶性元素，在岩石圈、水圈和生物圈中普遍存在，能够在地下水流经围岩时的水岩作用过程中进入液相，高值点分布常与大断裂相关，研究区地下水中B的含量为0.05～0.089mg/l，平均值0.054mg/L，最高点为崔家庄，推测崔家庄附近可能存在大断裂；另外，C1-浓度与B的关系呈现出不一致的相互关系(表4)，表明B可能与C1-的来源不一致。

上文中提及：含硅酸盐矿物的围岩溶解SiO2的过程与温度相关，如图2(k)所示，二氧化硅矿物在水中的溶解度与温度呈正相关函数关系，温度越高，水中SiO2的浓度越大。硅质化合物在高温高压条件下在与水相互作用时，可大量进入地下水中，地下水温度的升高，加快了化学反应速度，提高了水对岩石的溶滤和硅酸盐的富集程度，区内地下水中SiO2含量与温度基本呈正相关关系。

3.4　地球化学温标

在进行地热资源的成因机制和开发利用潜力研究过程中，地下热储温度是一个十分重要的评价参数。利用地热流体温标可以用来估算热储温度。但由于热储温度低、浅层冷水的混和作用等，使得热水体系中化学组分并未达到真正的水一岩平衡状态，因此，地热温标在实际使用中常常存在误差，为了缩小估算误差，笔者将通过Na-K-Mg三角图解法对区内地下水水岩平衡状态进行判断，在此基础上利用地球化学温标来估算研究区地下热储的温度。

将研究区所有水样投射到Na-K-Mg三角图中，从图3中可以看出研究区大部分的水样点均落在了未成熟区，仅有少数的水样点(背斜轴部地下水样)落于部分成熟区或混合区或完全平衡线上，体现了背斜轴部区部分水一岩作用已经达到平衡，具有较深的热水循环特征，或者地表冷水的混入比例相对较小，深部热源混合比例较大等，因此选择合适的阳离子地温计可以较准确的估算热储层热储温度；而大部分地下水属于未成熟热水，体现了地下水中大部分水一岩作用尚未达到平衡，或者是不成熟的地表水混入比例大，地下水循环较快。鉴于地热水样品水-岩作用尚未达到平衡，因此利用地热温标估算该区地热水热储温度仅作为本研究的参考。

图3　研究区地下水Na-K-Mg平衡三角图Figure 3　Study area groundwater Na-K-Mg Giggenbach geoindicator diagram

利用地热温标估算的地下热储温度如下表5所示。结果显示， Na—K地温计计算的热储温度为79.29～104.53℃， K—Mg地温计计算的热储温度为9.49～28.58℃，因系统中离子反应尚未达到平衡，因此阳离子Na—K地温计计算的温度结果偏高； K—Mg地温计计算结果偏低。结合赵36深部地层测温结果，以石英、玉髓地热温标估算地下热储温度结果偏低，但可作为较保守的温度估测方法，其计算热储温度为69～86℃。其中赵36，在2317m处，试油温度为92.51℃， 计算结果接近深部温度。故该结果可作为深部热液与浅部冷水混合后温度。从表5中还可以看出，区内背斜轴部区热储在85℃左右，向背斜两翼热储温度有逐渐降低的趋势。

表5　研究区地球化学温标计算结果

4　结论

(1)研究区11个主要取样点地下水水化学类型复杂，李家营、南郝村和南阳村背斜轴部一带具有较低的HCO3/Cl比值，体现了弱的更新和交替能力；背斜两翼区具有较高的HCO3/Cl比值，体现了地下水径流交替能力较强， Li与Cl具有较好的正相关性，体现热源可能来源深部；Cl与Sr的相关性较差，体现了地下热水中的盐分主要来源于深部热液；而SiO2与Cl、温度的正相关性更进一步印证了研究区为深部热源。

(2)由地下热水地球化学温标综合分析研究，认为区内深部热液与热水含水层混合温度为69～86℃。

(3)经分析，区内背斜轴部区具备高地温异常特征。区内浅部热水资源开发利用应合理规划，但深部具备干热岩资源开发潜力。

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